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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
DS0303 - Matériaux et procédés

Nouveaux alliages de titane à haute résistance, fort écrouissage et grande ductilité contrôlées par transformation martensitique et maclage – TITWIP

Conception et développement d'alliages de titane « transformables par déformation

Le projet de TITWIP porte sur le développement d'une nouvelle famille de matériaux à base de titane capable de se transformer sous l’effet d’une déformation, soit par transformation de phases soit par maclage mécanique. Cette particularité leur confère une résistance mécanique élevée combinée avec un fort écrouissage et une grande ductilité.

Alliages TRIP/TWIP : Relation entre la composition des alliages et les mécanismes de déformation actifs.

La combinaison unique de propriétés place cette famille d'alliages parmi les matériaux de structure les plus avancés et les plus prometteurs pour répondre à la demande croissante de l'industrie aéronautique, en particulier. Ainsi, de manière à développer des alliages qui soient « industrialisables » à moyen terme nous nous sommes intéressés au système Ti-Cr-(Sn/Al)-Fe. L’idée centrale était en particulier de mieux prédire les propriétés finales des alliages. Le projet TITWIP était donc articulé en trois tâches complémentaires : - La conception, l'élaboration et la caractérisation de nouveaux alliages avec une combinaison optimale de propriétés mécaniques - La compréhension et la prédiction des évolutions de microstructures observées, par développement d’une modélisation à une échelle mésoscopique basée sur la méthode du champ de phase. - La prédiction du comportement mécanique par des calculs par éléments finis basés sur un modèle incluant les informations microstructurales et utilisant de nouvelles lois de comportement adaptées aux mécanismes de déformation pertinents.

Les différents axes développés avaient commun le développement d’approches visant à comprendre l’évolution des microstructures des alliages en cours de déformation (Axes 1 et 2) et l’évolution des propriétés mécaniques associés (axe 3). Dans l’axe 1, nous avons entrepris une démarche de conception d’alliages basée sur les paramètres électroniques régulant la stabilité chimique de la phase ß. La construction de cartes de stabilité électronique nous a permis de définir dans le système Ti-Cr-(Sn/Al)-Fe, les zones d’intérêt correspondant à l’activation simultanée des différents mécanismes de déformation (effets TRIP et TWIP) puis de concevoir une série d’alliages autour de cette zone d’intérêt. Ces alliages ont ensuite été élaboré et caractérisés avec succès. L’axe de recherche 2 a permis d’identifier les paramètres d’ordre permettant de décrire le maclage mécanique de type {332}?11-3? actif dans ces alliages à l’échelle mésoscopique : le cisaillement et le shuffle. Les simulations effectuées ont pu rendre compte avec succès de la croissance des macles sous contraintes. Le modèle a alors été testé au développement d’une microstructure 3D constituée de plusieurs variants de macle, pour comprendre les microstructures observées expérimentalement. L’axe 3 a permis le développement d’un modèle permettant de décrire la plasticité particulière des alliages. Les microstructures ont été modélisés du point de vue macroscopique à l'aide d'un modèle d'homogénéisation du polycristal. Les systèmes de maclage et la martensite ont été progressivement introduits dans le modèle en plus des systèmes de glissement, ce qui a pu permettre de remonter à des lois d'évolution de l'écrouissage et à la disymétrie charge/décharge. Les observations expérimentales sur l'évolution de la fraction volumique maclée des grains du polycristal (Axe 1) ont alors été utilisées pour valider le modèle.

Le projet TiTwip a permis d’affiner et de compléter les stratégies de conception des alliages par l’introduction de paramètres de design supplémentaires (paramètre de distorsion par exemple). Par suite, il a également permis de développer avec succès de nouvelles nuances d’alliages plus performants présentant à la fois une limite d’élasticité plus élevée et un taux d’écrouissage plus fort. En parallèle, il a permis d’accroitre de manière importante la connaissance à la fois sur les mécanismes de déformation (le maclage en particulier) et la relation entre ces mécanismes et les propriétés mécaniques macroscopiques.

La suite du projet TiTwip se fera en collaboration avec des partenaires de l’industrie aéronautique. Des perspectives importantes sont offertes par rapport à la résistance à l’endommagement (ténacité) de ces alliages (trois fois plus élevée que les alliages de titane commerciaux). Des applications pour des pièces de rétention (carters) pour l’aéronautique sont actuellement envisagées. Par rapport aux spécifications aéronautiques, les recherches à mener concernent l’augmentation de la limite d’élasticité des alliages, sans compromis sur les aspects d’écrouissage et de ductilité. Le défi principal est donc de conserver les mêmes mécanismes de déformation en décalant leur déclenchement vers les contraintes élevées.

Le projet TiTwip a permis la publication de 7 articles dans des revues internationales. La diffusion lors des congrès a été large (25 communications sur les 3 axes du projet, 11 conférences invitées). Il est à noter que lors du dernier congrès mondial sur les alliages de titane, un symposium sur les alliages TRIP/TWIP a été créé, ce qui marque nettement un intérêt croissant de la communauté pour cette famille d’alliages particulière.

Le projet de TITWIP porte sur le développement d'une nouvelle famille de matériaux à base de titane appelés "alliages de titane TRIP / TWIP" (TRIP pour plasticité induite par transformation de phase et TWIP pour plasticité induite par maclage) qui possèdent simultanément une résistance mécanique élevée, un fort écrouissage et une grande ductilité. Cette combinaison unique de propriétés place cette famille d'alliages parmi les matériaux de structure les plus avancés et les plus prometteurs pour répondre à la demande croissante de l'industrie aérospatiale pour l'optimisation de masse. Le projet TITWIP est articulé en trois tâches complémentaires : - l'élaboration et la caractérisation de nouveaux alliages avec une combinaison optimale de propriétés mécaniques, en utilisant une approche basée sur la structure électronique. - la compréhension et la prédiction des évolutions de microstructures observées, en développant une modélisation à une échelle mésoscopique basée sur la méthode du champ de phase. - la prédiction du comportement mécanique en effectuant des calculs par éléments finis basés sur un modèle incluant les informations microstructurales et utilisant de nouvelles lois de comportement adaptées aux mécanismes de déformation pertinents.

Coordinateur du projet

Monsieur Prima Frederic (Institut de Recherche de Chimie Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LEM, CNRS/ONERA Laboratoire d'Etude des Microstructures
ARMINES CdM ARMINES Centre des Matériaux de Mines ParisTech
LEM, CNRS/ONERA Laboratoire d'Etude des Microstructures
UMR 8247 CNRS Institut de Recherche de Chimie Paris

Aide de l'ANR 447 508 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 48 Mois

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